科学家们发现了一种实现负折射（即光以“错误”的方式弯曲）的方法，即使用精心排列的原子阵列而非工程超材料。
这一突破意义深远，未来有望研制出超越显微镜观察极限的超级透镜，甚至隐形装置。
用原子阵列打破光的规则
科学家们首次利用精心排列的原子阵列实现了负折射，并且没有依赖人工设计的超材料。
多年来，研究人员一直在探索操纵光的新方法，不断突破物理可能性的界限。光学领域中最引人入胜的挑战之一便是负折射，即光线的弯曲方向与通常路径相反。该现象有望彻底改变技术，带来如超越显微镜观察极限的超透镜、使物体隐形的隐形装置等突破性进展。
如今，科学家们取得了重大进展。他们通过将原子精确排列成结构阵列，成功证明了负折射的存在——而无需借助复杂的人造超材料。
以原子相互作用革新光学领域
在今日（2月12日）发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上的一项研究中，兰卡斯特大学的简妮·鲁斯托斯科斯基（Janne Ruostekoski）教授和凯尔·巴拉廷（Kyle Ballantine）博士，以及日本NTT基础研究实验室的路易斯·鲁克斯（Lewis Ruks）博士，公布了一种控制原子与光相互作用的新方法。
天然材料通过原子跃迁（即电子在不同能级之间跳跃）与光发生相互作用。然而，这一相互作用过程存在重大局限。例如，光主要与电场分量发生相互作用，而磁场分量则基本未被利用。
超材料及其挑战
这些天然材料光学特性的固有局限性推动了人工超材料的发展，而这种超材料正是依赖于负折射现象。
当光在传播过程中改变方向时会发生折射，例如，从空气进入水或玻璃。然而，负折射是一种与直觉相反的现象，在这种现象中，介质中的光弯曲的方向与自然界中通常观察到的方向相反，这挑战了人们对光在材料中表现的传统理解。
超透镜与隐身术：负折射的未来
负折射的魅力在于其开创性的潜在应用，比如制造一种能够超越衍射极限进行聚焦和成像的完美透镜，或者开发使物体隐形的隐形装置。
虽然超材料已经实现了负折射，但由于制造缺陷和非辐射损耗，其在光频下的实际应用仍然受到阻碍，这些因素仍然严重限制了其应用。
兰卡斯特大学和NTT团队采用的新方法，涉及对光通过原子阵列传播的过程进行详细的逐原子模拟。
他们的研究表明，原子的协同响应能够实现负折射，从而完全无需使用超材料。
集体原子响应的力量
兰卡斯特大学的简内·鲁奥斯托科斯基教授说道：“在这些情况下，原子会通过光场相互作用，共同响应而非独立响应。这意味着单个原子的反应已无法简单反映出整个原子集合体的行为。相反，共同相互作用会产生新的光学特性，如负折射，而这是无法通过单独研究单个原子来预测的。”
这些效应的实现得益于将原子束缚在周期性光晶格中。光晶格就像由光制成的“蛋盒”，其中的原子被驻波固定住。
NTT 的路易斯·鲁克斯 (Lewis Ruks) 博士表示：“这些排列精确的原子晶体使研究人员能够以前所未有的精确度控制原子与光之间的相互作用，为基于负折射的新型技术铺平了道路。”
光学技术的变革者
光晶格中原子的集体行为具有几个关键优势。与人工制造的超材料不同，原子系统提供了一种原始且纯净的介质，不存在制造缺陷。在这样的系统中，光以可控且精确的方式与原子相互作用，不存在通常会将光转化为热量的吸收损耗。
这些独特的性能使原子介质成为超材料在实际应用负折射方面的有前途的替代品。
参考文献：《2025年2月12日L. Ruks、K. E. Ballantine和J. Ruostekoski在《自然-通讯》上发表的“原子介质中的光负折射”》。数字对象标识符：10.1038/s41467-025-56250-w。
